发射药粒冲击破碎的数值模拟.pdf

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1、第30卷第5期应用力学学报、，01．30NO．52013年l0月CHINESEJoURNALoFAPPLIEDMECHANICSOct．2013文章编号：lOOO一4939(2013)05．0741-06发射药粒冲击破碎的数值模拟姜世平芮筱亭黎超(南京理工大学发射动力学研究所210094南京)摘要：为了研究发射药粒冲击破碎对发射装药发射安全性的影响，本文以离散单元法为基础，将发射药粒离散成弹簧一球单元系统，推导了弹簧刚度系数的理论表达公式。采用相应的破坏准则，建立了发射药粒冲击破碎的动力学仿真系统，模拟了发射药粒以不同初始角度冲击刚性边界的破碎过程，并将该方法应用于发射药床挤压破碎动力学

2、计算中，再现了发射药床挤压破碎的动力学过程。发射药床破碎后会导致初始燃面增加，而对内弹道性能产生影响的直接因素是初始燃面的增加程度，采用统计的方法定量地获得了破碎后发射药床的表面积，结果表明破碎后的发射药床表面积增加了35．790／0，而试验结果得出的发射药床表面积增加量为32．250／o，说明仿真结果与试验结果较为接近，验证了本文理论与模型的正确性。本文研究为进一步研究发射装药挤压破碎对发射安全性的影响提供了重要的计算手段。关键词：发射药粒；离散单元法；仿真系统；破碎；发射安全性中图分类号：TJ41文献标识码：ADOI：10．11776／cjam．30．05．D037从理论上分析药粒破

3、碎规律的研究甚少。发射装药l引言挤压破碎动力学是一门既涉及散体力学又涉及连续介质力学的复杂系统动力学问题，它既面临物体数目前，国内外对发射装药引起膛炸的机理已逐量巨大这一多体系统动力学难题，又同时面临物体步形成共识，即相应装药结构下弹底发射药床的挤挤压破碎这一固体力学难题。压破碎是导致膛炸的根本因素。国内外相关文献的发射药粒在低温下(一4O℃)呈脆性，脆性材料在结果表明，如果药粒不破碎，无论火炮膛内力学环冲击、侵彻等载荷作用下的变形、破坏过程实质是境如何恶劣，也不会出现膛炸现象【l】。事实上，几从连续体到非连续体的转变过程。建立在传统连续乎所有关于由发射装药引起膛炸的记录都与低温条介质力

4、学基础上的有限元法、有限差分法等适用于件有关，这是因为低温条件下发射药粒变脆，抗冲预测损伤和破坏的区域，但难以直接计算和模拟材击和抗挤压的能力减弱，导致其容易破碎。目前对料及结构发生破坏的整个过程[3]。离散单元法[]为于发射装药挤压破碎的研究手段主要以试验为主，研究散体系统破碎动力学提供了有力的工具，其基采用专用设备对发射装药破碎过程进行物理仿真。本思想是将连续体分离为铰接而成的刚体系统，应遗憾的是，由于发射装药破碎过程异常复杂，如何用牛顿第二定律描述该多刚体系统的运动，进而求基金项目：国家自然科学基金(1O9O2051；11102089)~国防重点实验室基金(9l4OC35O4O6l

5、2Oc35133)收稿日期：2012．09．17修回日期：2013．03．14第一作者简介：姜世平，男，1982年生，博士，南京理工大学；研究方向——散体力学。通讯作者：芮筱亭，E-mail：jsping@163．com：ruixt@163．net第5期姜世平，等：发射药粒冲击破碎的数值模拟743式中和、分别为球体之间法向和切向的相2．4球体单元接触模型对位移。在小变形的条件下，球体之间法向和切向当单元i和单元，接触时，在法线和切线方向的相对位移分别为上，其弹性效应等效于弹簧．阻尼器作用[]，法线、ij=2r(a／)主切线、次切线方向的刚度系数分别为、、，=2，．(a／)(5)阻尼系数分

6、别为CnCsc，具体计算公式参见文=2r(~lex,)献[1O]。法向接触力可表示为lJ式中：，是球体单元的半径；a／l是法向的线应=一_△f—CnVn(13)，变；a／axl与a／1分别为两个切向的剪应变。式中：△为单元间法向相对变形量；n为单位矢因此式(4)可以写成量在法向上的分量；为单元间接触点的相对速度矢量在法向的分量。善l((筹砭[筹对于切向接触，由于在接触过程中有可能发生式中和、分别为一个弹簧组的法向弹簧刚从静止到滑移或者由滑移到静止的过渡，所以接触度系数和两个切向弹簧刚度系数。那么该结构中单模型应采用增量形式，即位体积的应变能为{IJ~(ft)：=f](t-一A△tf)一-

7、'tcuY—abAt--一cij％bij'b(14)W=rvlv(7)式中V为球体单元所占据的平均体积，在此为式中：、分别为单元i在f时刻所受的切向接8r。由Green公式，应力可由下式求得，即触力在主、次切线方向上的分量；s、1，b分别为单=驯a，(，，=1，2，3)(8)元间接触点的相对速度在主、次切线方向上的分量。式中=(au，／+Ou／，)／2，(，，m=l，2，3)2．5破坏准则将式(8)求解得到的一占关系式与弹性介质的一